Cada fibra de vidrio delgada como un cabello en un cable de fibra óptica enterrado contiene pequeños defectos internos, y eso es bueno para los científicos que buscan nuevas formas de recopilar datos sísmicos en lugares desde un centro urbano concurrido hasta un glaciar remoto.

En Cartas de investigación sismológica , El sismólogo del Instituto de Tecnología de California, Zhongwen Zhan, describe el creciente interés en este método, llamado Detección Acústica Distribuida, y sus aplicaciones potenciales. Su artículo es parte de la serie Temas emergentes de la revista, en el que los editores de SRL invitan a los autores a explorar los desarrollos que están dando forma a varias áreas de la sismología y la ciencia de los terremotos.

DAS funciona utilizando los pequeños defectos internos de una fibra óptica larga como miles de sensores sísmicos a lo largo de decenas de kilómetros de cable de fibra óptica. Un instrumento en un extremo envía pulsos láser por un cable y recopila y mide el "eco" de cada pulso a medida que se refleja en los defectos internos de la fibra.

Cuando la fibra se ve perturbada por cambios de temperatura, tensión o vibraciones, causadas por ondas sísmicas, por ejemplo, hay cambios en el tamaño, frecuencia y fase de la luz láser dispersada hacia el instrumento DAS. Los sismólogos pueden usar estos cambios para determinar los tipos de ondas sísmicas que podrían haber empujado la fibra. aunque solo sea por unas pocas decenas de nanómetros.

La sensibilidad de los instrumentos DAS ha mejorado notablemente durante los últimos cinco años, abriendo nuevas posibilidades para su despliegue, Dijo Zhan. "La sensibilidad es cada vez mejor, hasta el punto de que hace unos años que si comparas las formas de onda de una sección de fibra con un geófono, se parecen mucho entre sí ".

Su rendimiento los hace adecuados para su uso en una variedad de entornos, especialmente en lugares donde sería demasiado caro establecer una red sísmica más sensible o densa. Los investigadores también pueden aprovechar las grandes cantidades de fibra "oscura" no utilizada que han sido colocadas anteriormente por las empresas de telecomunicaciones y otros. Algunas hebras de un cable más grande, dijo Zhan, serviría a los propósitos de un sismólogo.

Zhan dijo que la industria del petróleo y el gas ha sido uno de los mayores impulsores del nuevo método, ya que utilizaron cables en pozos para monitorear los cambios de fluidos en los campos petroleros de aguas profundas y durante la fracturación hidráulica y la inyección de aguas residuales.

Los investigadores del DAS creen que el método es especialmente prometedor para el monitoreo sísmico en entornos hostiles, como la Antártida o la luna. Con una red regular de sismómetros, los científicos "necesitan proteger y alimentar cada nodo" de los instrumentos de la red, Zhan explicó. "¿Dónde para DAS, pones una larga hebra de fibra, que es bastante resistente, y todos sus instrumentos sensibles están solo en un extremo de la fibra ".

"Puedes imaginar que en la luna o en algún otro planeta, con un escenario de alta radiación o alta temperatura, es posible que la electrónica no sobreviva tanto tiempo en ese entorno, ", agregó." Pero la fibra puede ".

Los científicos ya están utilizando DAS para investigar los ciclos de descongelación y congelación en el permafrost y en los glaciares, para caracterizar mejor su movimiento dinámico de flujos de hielo y deslizamiento sobre el lecho de roca, lo que podría ayudar a los investigadores a aprender más sobre cómo el deshielo de los glaciares provocado por el cambio climático contribuye al aumento del nivel del mar.

En este momento, el alcance de la mayoría de los sistemas DAS es de 10 a 20 kilómetros. Los investigadores esperan extender esto en un futuro cercano a 100 kilómetros, Zhan dijo:que podría ser útil para la cobertura sísmica en entornos del fondo del océano, incluidas las zonas de subducción costa afuera.

DAS también es adecuado para una respuesta rápida después de terremotos, especialmente en áreas donde la fibra oscura es numerosa y los sismólogos han hecho arreglos para usar la fibra de antemano. Después de los terremotos de Ridgecrest de 2019 en el sur de California, por ejemplo, Zhan y sus colegas se movieron rápidamente para monitorear la secuencia de réplicas en el área usando DAS. "Convertimos unos 50 kilómetros de cable en más de 6, 000 sensores en tres días, " él dijo.

Si los sismólogos han hecho su trabajo de campo para identificar y solicitar acceso a las fibras con anticipación, Zhan dijo:Un sistema DAS se puede implementar pocas horas después de un terremoto.

Un desafío en el uso de fibra es saber exactamente cómo se encuentra en el suelo. Con el método DAS, los investigadores saben a qué distancia de una fibra se encuentra un sensor en particular, pero si el cable de fibra óptica está enrollado, doblado o combado, los cálculos podrían estar equivocados. Para remediar esto, Los sismólogos a veces hacen una "prueba de golpe", que mapea los golpes de martillo a lo largo del suelo por encima del cable con GPS, mientras los golpes reverberan en la fibra para crear una especie de imagen de sonar de sus giros y vueltas.

Los sensores DAS también contienen más "ruido propio" (señales sísmicas de fondo que podrían interferir con la identificación de un terremoto) que los sensores sísmicos tradicionales. "pero, francamente, no sabemos exactamente por qué, "dijo Zhan. Parte del ruido podría provenir de los pulsos láser interrogantes, que puede no ser estable, o del propio cable. Algunos cables están sueltos en sus túneles, y otros tienen múltiples conectores de fibra, lo que puede producir reflexión y pérdida de la señal luminosa.

"Mientras aún estaba en su infancia, DAS ya se ha mostrado a sí mismo como el corazón en funcionamiento, o tal vez los tímpanos, de una nueva y valiosa herramienta de escucha sísmica, "Zhan concluyó.